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Anwenderleitfaden für KMU

Der ideale Einstieg in die Welt der Additiven Fertigung: Der Anwenderleitfaden für KMU beantwortet die rund 20 am häufigsten gestellten Fragen zum Thema 3D-Druck.

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Laden Sie hier den vollständigen Leitfaden als PDF-Datei herunter oder wählen Sie unten eine Fragestellung aus und öffnen per Klick die Antwort.

Der Leitfaden beantwortet die Fragen, die den Experten von Niedersachsen ADDITIV in der nun zweijährigen Projektlaufzeit am häufigsten gestellt wurden. Zum Beispiel: „Was muss ich tun, um den 3D-Druck in meinem Unternehmen einzuführen?“ und „welche 3D-Druckverfahren gibt es?“.

Niedersachsen ADDITIV stellt damit auch Unternehmen, die das Veranstaltungsangebot noch nicht nutzen konnten, eine wertvolle Informationsquelle zum 3D-Druck zur Verfügung.


1. Was ist 3D-Druck und was bedeutet additive Fertigung?

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Anders als bei der konventionellen (subtraktiven) Fertigung, bei der Material durch zerspanende Verfahren wie Fräsen, Drehen oder Bohren vom Rohling als Span abgenommen wird, verbindet die Additive Fertigung Pulverpartikel oder Moleküle miteinander, indem diese aufgeschmolzen oder miteinander vernetzt werden.

Unter Additiver Fertigung, dem sogenannten 3D-Druck, versteht man Verfahren, mit denen durch Aufeinanderdrucken von zweidimensionalen Schichten oder durch die Addition kleiner Elemente ein dreidimensionales Objekt hergestellt wird.

Historie

Obwohl die Additive Fertigung heute als das bedeutendste Herstellungsverfahren für die digitalisierte industrielle Produktion (Industrie 4.0) gilt, existieren erste Verfahren bereits seit den 1980er Jahren. Schon 1986 legte Charles W. Hull die Grundlage für den heutigen

3D-Druck: Er erfand die Stereolithographie. Dabei härtet UV-Strahlung flüssigen Kunststoff Schicht für Schicht aus. So entsteht nach und nach das fertige Bauteil.

In den vergangenen 30 Jahren kamen zahlreiche Verfahren hinzu wie etwa:

  • Selektives Laser Sintern (SLS),
  • Laser Powder Bed Fusion (LPBF, auch Selektives Laserschmelzen (SLM®) genannt),Laserstrahlauftragschweißen

Mit diesen und anderen Verfahren lassen sich

  • Kunststoffe,
  • Metalle,
  • Gläser
  • und Keramiken drucken.

Vom Rapid Prototyping zur Additiven Fertigung

Da sich diese Prozesse anfangs ausschließlich zur Herstellung von Prototypen, Baumustern und Ansichtsexemplaren eigneten, fasste man die Verfahren zunächst unter dem Oberbegriff Rapid Prototyping zusammen. Später etablierten sich Oberbegriffe wie Rapid Manufacturing [2]oder Rapid Tooling .

Heute sind die Benennungen 3D-Druck, Additive Fertigung oder Additive Manufacturing gängig und inhaltlich gleichbedeutend. Für Einsteiger mag die Vielzahl der Benennungen zunächst verwirrend sein. Deshalb ist es wichtig zu wissen, dass das Grundprinzip bei allen Verfahren gleich ist:

Additive Fertigungsverfahren verbinden pulverförmige oder flüssige Werkstoffe zu einem dreidimensionalen Objekt. In weiteren Bearbeitungsschritten entsteht daraus das fertige Bauteil - ganz ohne den Einsatz formgebender Verfahren.

Bauteile entstehen Schicht für Schicht

Bei den meisten 3D-Druckverfahren entstehen die Bauteile so wie in der Abbildung schematisch dargestellt:

1) Der Konstrukteur erstellt das Bauteil in einem CAD-Programm und erzeugt aus den 3D-Daten schließlich eine 3D-Druckdatei.

2) Öffnet man die 3D-Druckdatei mit der Software eines 3D-Druckers zerlegt dieses Programm das Bauteil in virtuelle Schichten.

3) Der 3D-Drucker druckt die zuvor virtuell definierten Schichten nach und nach physisch aufeinander.

4) So entsteht Schicht für Schicht das Bauteil. Die Schichtdicke hängt von verschiedenen Prozessparametern ab und bestimmt die Auflösung des Bauteils.

5) Vor der Verwendung des Bauteils ist häufig eine Nachbehandlung erforderlich, etwa um Stützstrukturen zu entfernen oder die Oberflächengüte zu verbessern.



2. Wie bekomme ich gedruckte Teile: Dienstleister oder Eigenfertigung?

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Viele Unternehmen möchten Additive Fertigungsverfahren in ihre Produktionsprozesse integrieren. Manche Firmen kennen die Vorteile dieser Verfahren und haben bereits Prototypen oder Funktionsbauteile identifiziert, die sich für den 3D-Druck eignen.

  • Doch wie kann die Umsetzung im Betrieb gelingen?
  • Und was ist sinnvoller: Eigen- oder Fremdfertigung?

Um diese Fragen beantworten zu können, bedarf es im ersten Schritt einer Analyse der Voraussetzungen im Betrieb und der Anforderungen an die Bauteile. Die folgenden Anhaltspunkte sollten dabei berücksichtigt werden:

Fremdfertigung: Formen der Zusammenarbeit zwischen Unternehmen und Lieferanten

Das Unternehmen und der Lieferant können auf verschiedene Art und Weise zusammenarbeiten.

Zum Beispiel:

  • Jahresverträge
  • Entwicklungskooperationen
  • Joint Ventures
  • Franchise-Verträge
  • Betreibermodelle

Eigenfertigung: Personelle und finanzielle Ressourcen

Eine zu hohe Leistungstiefe bindet Mitarbeiter und Kapital in den Unternehmen. Für die Kernaufgaben stehen diese Ressourcen dann nicht mehr zur Verfügung. Deshalb sollte jedes Unternehmen sorgfältig abwägen, ob das für die Eigenfertigung erforderliche Personal und Kapital vorhanden ist und ob es wirtschaftlich sinnvoll ist, diese für die Eigenfertigung einzusetzen.

Technologische Wettbewerbsfähigkeit

Der Markt und neue Technologien wie der 3D-Druck sind hochdynamisch. Unternehmen sollten bei der Frage nach Eigen- oder Fremdfertigung genau analysieren, welchen Einfluss die 3D-Drucktechnologie auf das Geschäftsmodell hat. Je nach Ergebnis ist dann abzuwägen, ob das Know-how im eigenen Unternehmen aufgebaut und gehalten werden sollte oder ob Lieferanten die sinnvollere Lösung darstellen.

Zuverlässigkeit und Abhängigkeit von Lieferanten

3D-gedruckte Bauteile von Lieferanten zu beziehen, bietet viele Vorteile. Dennoch sollten Unternehmen dabei immer auch die Abhängigkeit vom Lieferanten bedenken. Um die Produktion auch bei Lieferengpässen sichern zu können, sollten verschiedene Szenarien durchgespielt und geeignete Vorkehrungen getroffen werden.



3. Welche Bauteile kann ich drucken?

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Je nachdem wo und wie das Bauteil eingesetzt werden soll, unterscheidet man

  • Prototypen sowie
  • funktionale und sicherheitsrelevante Bauteile.

Prototypen

Möchte ein Unternehmen 3D-Bauteile beispielsweise als Prototypen in einem Entwicklungsprozess einsetzen, kann die Anschaffung eines kostengünstigen Desktop-3D-Druckers eine praktikable Lösung sein. Jedoch sollten die Anforderungen an die Präzision der Bauteile relativ große Toleranzen zulassen.

Funktionale und sicherheitsrelevante Bauteile

Für Sonderbauteile mit sehr großen Abmessungen oder einem sicherheitskritischen Einsatzzweck kann es sinnvoll sein, einen erfahrenen Lieferanten zu beauftragen. Diese verfügen im Allgemeinen sowohl über das erforderliche Fachwissen, als auch über einen geeigneten Maschinenpark, um spezielle Anforderungen und minimale Toleranzen bei der Fertigung erfüllen zu können.

Anforderungen gemäß DIN-EN-ISO-Norm

Die Norm DIN EN ISO 17296-3 definiert unterschiedliche Anforderungen an die Eigenschaften von 3D-Bauteilen. Diese betreffen etwa:

  • die Oberfläche (z. B. Farbe, Oberflächenstruktur),
  • die geometrischen Anforderungen (z. B. Größe, Länge),
  • die mechanischen Anforderungen (z. B. Härte, Zugfestigkeit)
  • und Anforderungen an die Aufbauwerkstoffe (z. B. Dichte, chemische Eigenschaften).



4. Wie viele Bauteile kann ich drucken?

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Die Stückzahl hat einen wesentlichen Einfluss auf die Entscheidung, ob eine Eigen- oder Fremdfertigung sinnvoll ist. Erst ab einer bestimmten Stückzahl ist es wirtschaftlich, eigene 3D-Druckanlagen zu betreiben. Werden additiv gefertigte Bauteile in geringer Stückzahl benötigt, sollte ein Dienstleister beauftragt werden, da die Auslastung eigener Anlagen in diesem Fall nicht sichergestellt werden kann.

Ein weiterer Vorteil der Fremdfertigung durch einen Druckdienstleister ist, dass dieser zumeist flexibel auf Bedarfsschwankungen reagieren kann, da sich die Auftragsvolumina relativ problemlos anpassen lassen.



5. Was muss ich tun, um den 3D-Druck in meinem Unternehmen einzuführen?

Kapital für die Investition in 3D-Druckanlagen bereitstellen

Je nach 3D-Druckverfahren und Einsatzzweck entstehen bei der Anschaffung einer 3D-Druckanlage Kosten in Höhe von einigen hundert Euro für einfache Desktopgeräte bis hin zu über eine Million Euro für professionelle Anlagen.

Kapital für Zusatzkosten berücksichtigen

Schulungen für das Personal, Softwarelizenzen und -anpassungen sowie Wartungsarbeiten an den Anlagen sollte jedes Unternehmen einkalkulieren. Die Investition in eine 3D-Druckanlage bringt daher nicht unerhebliche Kosten mit sich, die mit einem entsprechenden Geschäftsmodell gerechtfertigt werden sollten.

Zeitfenster für die Mitarbeiterqualifizierung einplanen

Für die Auswahl und Beschaffung der Anlage sowie für die Qualifizierung der Mitarbeiter sollten Unternehmen großzügige Zeitfenster einplanen.

Prüfen, wie zeitnah Bauteile benötigt werden

Wenn ein Unternehmen 3D-gedruckte Bauteile zeitnah benötigt und noch nicht über eigene 3D-Druckanlagen verfügt, sollte der Fremdbezug der Eigenfertigung vorgezogen werden.



6. Was muss ich beim Aufstellen eines 3D-Druckers beachten?

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Ob 3D-Drucker im eigenen Unternehmen eingesetzt werden können, hängt stark von den Umgebungsbeding-ungen ab.

Desktopgeräte in einer Büroumgebung

3D-Kunststoffdrucker, die mit Extrusion arbeiten, sind prinzipiell auch für den Einsatz im Büro geeignet. Bei diesen Geräten erwärmt eine Extrusionsdüse den festen Kunststoff und verflüssigt diesen. Nachdem der flüssige Kunststoff aus der Düse herausgedrückt wurde, kühlt dieser ab und verfestigt sich wieder.

Allerdings entweichen bei diesem Verfahren Kleinstpartikel in die Raumluft. Diese können vom Menschen eingeatmet werden. Deshalb sollten die Büroräume sehr gut belüftet sein. Zudem sollten sich Personen grundsätzlich nicht dauerhaft in der Nähe eines 3D-Druckers aufhalten.

Andere 3D-Druckanlagen

Die meisten 3D-Druckanlagen stellen höhere Anforderungen an die Produktionsumgebung. Arbeitet die Anlage beispielsweise mit Pulvern, bedürfen diese häufig einer speziellen Handhabung. Dafür sind etwa Pulversammel- und Pulverrecyclinganlagen erforderlich, in denen die Pulver und bei der Fertigung anfallende Pulverreste vorschriftsmäßig gelagert und die Reste der Wiederverwertung zugeführt werden können.

Materialien für den 3D-Druck sind zum Teil gesundheitsgefährdend. Zum Beispiel werden in Stereolithografieanlagen Harze verarbeitet, die Augenreizungen oder allergische Hautreaktionen hervorrufen können. Deshalb sollten Unternehmen sorgfältig prüfen, ob geeignete Räumlichkeiten im eigenen Betrieb zur Verfügung stehen.



7. Welche Schritte muss ich bei der Einführung gehen?

Viele Unternehmen möchten Additive Fertigungsverfahren zukünftig einsetzen, kennen die Vorteile und haben bereits Prototypen und Funktionsbauteile identifiziert, die sich für den 3D-Druck eignen. Der Weg von der Idee bis zur Umsetzung von 3D-Druckprozessen im eigenen Betrieb ist jedoch nicht allen klar.

Eine zentrale Frage dabei ist, in welche Form von 3D-Druckanlagen investiert werden soll. Je nach Additivem Fertigungsverfahren ist es erforderlich, die Situation zu analysieren und eine fundierte Entscheidung zu treffen.

Diese Anhaltspunkte sollen als Entscheidungshilfe dienen.

Eigen- oder Fremdfertigung?

Bei kleinen Stückzahlen ist es häufig sinnvoller, die Bauteile durch einen Dienstleister drucken zu lassen.

Welche Bauteile benötigt mein Unternehmen und aus welchem Material sollen diese bestehen?

Ist diese entscheidende Frage beantwortet, lässt sich die Auswahl an geeigneten Anlagen direkt einschränken. Nun ist noch zu klären, mit welchem 3D-Druckverfahren sich die Bauteile herstellen lassen. Anschließend wird eine Anlage mit einem Bauraum in geeigneter Größe ausgewählt.

Nun kann das Unternehmen anhand der Investitionskosten und der geplanten Produktion prüfen, ob die Anschaffung einer eigenen 3D-Druckanlage wirtschaftlich sinnvoll ist.

Weitere Anhaltspunkte bietet Kapitel 2.



8. Welche Sicherheitsanforderungen gibt es?

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Laser Metal Deposition (LMD) mit Atemschutz und Handschuhen. (Foto: LZH)

Hat ein Unternehmen beschlossen, Bauteile additiv zu fertigen und ein geeignetes Druckverfahren ausgewählt, sollte vor der Integration neuer Anlagentechnik Zeit in das Thema Sicherheit investiert werden. Denn wenn sich Unternehmen vor der Integration neuer Anlagentechnik Gedanken über die sichere Gestaltung der Arbeitsplätze und der Prozesse machen, lassen sich in der Regel teurere nachgerüstete Arbeitsschutzmaßnahmen vermeiden.

Deshalb sollten Unternehmen gemäß Arbeitsschutzgesetz vor der Integration Additiver Fertigungsverfahren in der Produktion eine tätigkeitsbezogene Gefährdungsbeurteilung durchführen.

Gefährdungsbeurteilung – nicht nur eine lästige Pflicht!

Ziel der Gefährdungsbeurteilung ist es, bereits im Vorfeld Schutzmaßnahmen abzuleiten, um

  • Sach- und Vermögensschäden,
  • Arbeitsunfälle
  • und berufsbedingte Erkrankungen
beim Umgang mit Additiven Fertigungsverfahren zu vermeiden.

Die Gefährdungsbeurteilung beginnt bei der Auswahl der Maschinen: Unternehmen sollten nicht allein die technischen Spezifikationen wie Bauraumgröße oder verwendbare Materialien vergleichen, sondern sich auch die Sicherheitskonzepte der Anlagen erläutern lassen. Besonderes Augenmerk ist dabei auf folgende Fragen zu legen:

  • Welche Restrisiken gehen von den Maschinen aus und wie sind diese während des Betriebs weiter abzusichern?
  • Welche Betriebsmittel benötigt die Maschine?
  • Welche Wartungsarbeiten sind erforderlich und können diese von den Anlagenbedienern sicher ausgeführt werden?
  • Welche zusätzlichen Maßnahmen müssen dafür eventuell ergriffen werden?

Neben allgemein mit dem Betrieb von Maschinen einhergehenden Gefährdungen sind bei Additiven Fertigungsverfahren spezifische Gefährdungen durch die eingesetzten Materialien zu berücksichtigen:

Insbesondere Metallpulver kann sich selbst entzünden, aber auch Kunststoffpulver kann explodieren. Daher sind die entsprechenden technischen Regeln zum Brand- und Explosionsschutz zu beachten – von der Lagerung der Ausgangsstoffe bis zur Entsorgung der Filterrückstände. Besondere Maßnahmen sind dabei:

  • Explosionsgeschützte Absaugeinrichtungen.
  • Antistatische Sicherheitsschuhe, Arbeitskleidung und Schutzkleidung.
  • Getrennte Aufbewahrung von Arbeits- und Straßenkleidung, damit die Stoffe nicht in andere Arbeitsbereiche oder die Sozialräume des Betriebs verschleppt werden.
  • Alle Pulverwerkstoffe, sowohl Metall-, als auch Kunststoffpulver, sind lungengängig. Bei einigen Tätigkeiten kann daher der Einsatz von Absaugvorrichtungen oder das Tragen von Atemschutz erforderlich sein. Zudem ist für die betroffenen Mitarbeiter eine Eignungsuntersuchung durchzuführen.
  • Beim Aufschmelzen von Kunststoffen im FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling) entstehen Dämpfe. Die darin enthaltenen Kleinstpartikel können gesundheitsschädlich sein. Deshalb müssen die Räumlichkeiten ausreichend belüftet sein.
  • Photopolymere, die unter anderem bei der Stereolithographie (SLA) zum Einsatz kommen, können häufig allergische Hautreaktionen und Augenreizungen auslösen.

Wo finde ich weiterführende Informationen?

Zur sicheren Gestaltung der Arbeitsbedingungen finden Sie Informationen auf diesen Portalen:

  • Deutsche Gesetzliche Unfallversicherung: www.dguv.de
  • Bundesanstalt für Arbeitsschutz- und Arbeitsmedizin: www.baua.de



9. Wann ist 3D-Druck sinnvoll?

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3D-Druck kann konventionelle Fertigungsmethoden aktuell noch nicht gleichwertig ersetzen. Im direkten Vergleich dauert der 3D-Druckprozess länger als Spritzguss oder zerspanende Fertigung. Werden jedoch nur kleine Stückzahlen benötigt, müssen beispielsweise sowohl die Zeit als auch die Kosten für den Formenbau berücksichtigt werden. Hier kann die Additive Fertigung erheblich günstiger und schneller als die konventionelle Fertigung sein. Grundsätzlich gilt:

Je kleiner die Stückzahl und je komplexer das Bauteil, umso eher lohnt sich die Additive Fertigung.

Vorteile des 3D-Drucks bei komplexen Geometrien

Konstrukteure müssen umdenken und neue Methoden erlernen, um komplexe Bauteile für den 3D-Druck konstruieren zu können. Mit diesem Know-how sind sie dann in der Lage, die Vorteile und Möglichkeiten der Additiven Fertigung auszuschöpfen.

Konventionell müssen Baugruppen teilweise einzeln gefertigt werden, da einige Bereiche des Bauteils für die Werkzeuge nicht zur Fertigung erreichbar sind. Additiv lassen sich solch komplexe Strukturen schichtweise drucken und es ist nicht mehr erforderlich mehrere Bauteile zu fertigen, die anschließend verschweißt oder verschraubt werden müssen.

Lässt sich eine Baugruppe aus fünf Bauteilen in nur einem Schritt additiv fertigen, ersetzt ein einziger Druckvorgang fünf Fertigungsschritte, fünf Endbearbeitungen und fünf Qualitätskontrollen durch einen Fertigungsschritt, eine Endbearbeitung und eine Qualitätskontrolle.

Zudem entfallen sowohl die Montage als auch die Dichtigkeitsprüfung. Unter diesen Umständen kann 3D-Druck die wirtschaftlichere Variante sein.

3D-Druck ist darüber hinaus zum Beispiel dann von Vorteil, wenn sich damit die mechanische Belastbarkeit eines Bauteils steigern oder durch neue Konstruktionsmethoden Material und Gewicht einsparen lässt (Topologieoptimierung).



10. Wie lange dauert der 3D-Druck eines Bauteils?

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Der Druck dieses Planetengetriebes aus Edelstahl dauert etwa 10 bis 12 Stunden. (Foto: LZH)

Diese Frage lässt sich nicht pauschal beantworten, da die Druckzeit von zahlreichen Einflussfaktoren abhängt, unter anderem

  • vom Druckverfahren
  • vom Material
  • und von der Auflösung des Bauteils

Grundsätzlich sind die Prozesszeiten von Additiven Fertigungsanlagen im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren relativ lang.

Einige Verfahren, wie das Digital Light Processing (DLP) gegenüber der Stereolithographie (SLA) und das Jet Fusion gegenüber dem Selektiven Lasersintern (SLS), erreichen höhere Prozessgeschwindigkeiten, indem ganze Flächen beleuchtet werden, anstatt die Kontur der Bauteile abzufahren.

Das Binder Jetting weist durch die Verwendung eines Klebers eine hohe Prozessgeschwindigkeit auf. Um mechanisch belastbare Bauteile zu erhalten, ist aber ein zeitaufwendiger Sintervorgang nötig. Hinzu kommt, dass gedruckte Bauteile oft nachbearbeitet werden müssen (Post-Processing), um etwa Stützstrukturen zu entfernen oder die gewünschte Genauigkeit von Oberflächen und Geometrien durch mechanische, thermische oder chemische Verfahren zu erreichen.

Pulverbettbasierte Verfahren kommen dank der Abstützung durch das Pulver ohne Stützstrukturen aus. Eine Ausnahme bildet das Laser Powder Bed Fusion Verfahren, bei dem Stützstrukturen aufgrund des hohen Wärmeeintrags benötigt werden. Allgemein entsteht bei den pulverbettbasierten Verfahren ein hoher Aufwand für das Pulverhandling. Das Fused Deposition Modeling (FDM) und das Polyjet-Verfahren setzen auf auswaschbare Stützstrukturen. Bei den übrigen Verfahren werden Stützstrukturen mechanisch entfernt. Der Aufwand für die Entfernung hängt dann vom verwendeten Werkstoff ab.

Bei allen Verfahren kann eine Nacharbeit erforderlich sein, um Anforderungen an die Genauigkeit von Oberflächen oder Geometrien zu erreichen. Diese kann mechanisch, etwa durch Schleifen, thermisch oder chemisch erfolgen.



11. Was kostet mich die Einführung des 3D-Drucks in meinem Unternehmen?

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Die Investitionskosten hängen davon ab, welche/s Additive Fertigungsverfahren für die zu produzierenden Bauteile am besten geeignet ist.

Kosten für FDM-, SLA- und DLP-Anlagen

Die Anschaffungskosten für Anlagen für das Fused Deposition Modeling (FDM), die Stereolithographie (SLA) und das Digital Light Processing (DLP) reichen von einigen hundert Euro für einfache Desktopgeräte bis hin zu einigen hunderttausend Euro für industrielle Produktionssysteme.

Praxistipp: Die Produktivität mit einer Druckerfarm steigern

Ein wesentlicher Preistreiber ist der maximale Bauraum. Wenn der Bauraum der günstigeren Desktopgeräte für das größte zu produzierende Bauteil ausreicht, sollte die Anschaffung eines oder mehrerer Desktopgeräte anstelle eines industriellen Systems erwogen werden. Beispiel:

  • Kosten für eine FDM-Industrieanlage mit 63,84 Liter Bauraum: ca. 30.000 Euro
  • Kosten für ein Desktopgerät mit 9,25 Liter Bauraum: ca. 3.000 Euro.

Im größeren Bauraum der Industrieanlage lässt sich eine größere Anzahl Bauteile in einem Druckvorgang fertigen. Dieser Zeitvorteil ist beim FDM-Verfahren jedoch gering, da die Aufheiz- und Abkühlvorgänge sowie die Entnahme des Bauteils in der Regel nicht lange dauern.

Beschafft ein Unternehmen anstelle einer Industrieanlage für ca. 30.000 Euro zehn Desktopgeräte zu etwa 3.000 Euro und bildet damit eine Druckerfarm, lässt sich die Produktivität deutlich steigern. Durch den Betrieb mehrerer Geräte kann das Unternehmen zudem später eingehende Druckaufträge flexibler handhaben.

Je größer der Bauraum, desto größer ist auch die Wahrscheinlichkeit, dass es zu schwankenden Bau-raumbedingungen kommt. Diese können Fehler beim Druckvorgang hervorrufen, die wiederum zu Beschädigungen aller Bauteile eines Druckes führen können.

Vorteile von Industrieanlagen

Die Qualität der Bauteile ist bei Industrieanlagen in der Regel höher als bei Desktopgeräten. Zudem verfügen Anbieter von Industrieanlagen häufig über einen besseren Service und bieten beispielsweise Druckpro-file für qualifizierte Materialien an. Somit können Unternehmen bei Industrieanlagen eine höhere (Wie-derhol-)Genauigkeit sowie Zuverlässigkeit erwarten.

Die Entscheidung für eine Industrieanlage kann daher, trotz ausreichendem Bauraum der Desktopgeräte und unter Berücksichtigung des Verwendungszwecks der zu produzierenden Bauteile (Prototypen, funktionale Bauteile, sicherheitsrelevante Bauteile), die wirtschaftlichere Lösung sein.

Kosten für FDM-, SLA- und DLP-Materialien

FDM-Materialien:

Die Materialkosten hängen stark vom jeweiligen Material ab: Günstige Polylactide (PLA) sind für unter 20 Euro/kg erhältlich, wohingegen der Hochleistungswerkstoff Polyetheretherketon (PEEK) etwa 1000 Euro/kg kostet.

SLA- und DLP-Materialien:

Diese Verfahren basieren auf dem Effekt der Photopolymerisation. Hierfür eignen sich ausschließlich flüssige Materialien, die auf Lichteinstrahlung reagieren, indem sich niedermolekulare Moleküle (Monomere) zu Makromolekülen vernetzen und so ein Polymer bilden. Die Kosten für diese eingeschränkte Materialpalette liegen zwischen 100 und 450 Euro/kg.

Kosten für Polyjet- und Multijet-Anlagen

  • Desktop-Polyjetgeräte kosten ca. 20.000 Euro und Industriegeräte ca. 600.000 Euro.
  • µ-SLA-Geräte sind bisher nicht kommerziell erhältlich.
  • Multi Jet Fusion Geräte kosten zwischen ca. 50.000 Euro und mehreren hunderttausend Euro.
  • Aerosol Jet Anlagen starten bei ca. 50.000 Euro.

Kosten für Pulver-basierte Anlagen

  • Günstige SLS-Anlagen sind für etwa 10.000 € erhältlich, während Industrieanlagen einige hunderttausend Euro kosten.
  • Industrieanlagen für das Binder Jetting liegen zwischen 50.000 Euro und mehr als 1.000.000 Euro.
  • LPBF-Anlagen starten bei 200.000 Euro.

Wirtschaftlichkeitsbewertung

Für pulverbettbasierte Verfahren gelten andere Maßstäbe bei der Bewertung der Wirtschaftlichkeit als beim FDM- bzw. SLA-Verfahren. Bei Pulverbett-verfahren sollte der Bauraum möglichst vollständig mit Bauteilen gepackt sein, sodass die langsamen Aufheiz- und Abkühlvorgänge weniger stark ins Gewicht fallen. Außerdem muss der gesamte Bauraum der Anlage mit Pulver gefüllt sein. Überschüssiges Pulver lässt sich jedoch nicht vollständig recyceln.

Die Anschaffungskosten amortisieren sich in der Regel nur bei einer hohen Auslastung der Maschinen und des Bauraums. Andernfalls ist ein Fremdbezug in Betracht zu ziehen (siehe auch Kapitel 2).

Für das SLS-Verfahren existieren Desktopgeräte, die für wenige zehntausend Euro erhältlich sind. Allgemein ist die Bezeichnung Desktopgerät im Zusammenhang mit pulverbettbasierten Verfahren kritisch zu betrachten, da der Umgang mit den feinen, lungengängigen Pulvern gesundheitliche Risiken birgt (siehe auch Kapitel 6) Was muss ich beim Aufstellen eines 3D-Druckers beachten? Und 8) Welche Sicherheitsanforderungen gibt es?

Das LPBF-Verfahren hingegen ist ausschließlich mit hochpreisigen Geräten im Markt vertreten.

Kosten für pulverförmige Materialien

  • Der für das SLS-Verfahren häufig verwendete Pulverwerkstoff PA12 kostet ca. 120 - 150 € pro kg.
  • Für die metallverarbeitenden Verfahren LPBF und LMD werden teure Metallpulver benötigt, die beispielsweise um den Faktor 100 teurer sind als gleichwertige Metalldrähte.



12. Wann lohnt sich die Investition in eine eigene 3D-Druckanlage?

Die Investition in einen günstigen FDM-Drucker (Fused Deposition Modeling) lohnt sich in jedem Fall. Diese Systeme eignen sich für alle, die den 3D-Druck kennenlernen und ausprobieren möchten. Individuelle Anlagenkomponenten, die sonst mit zerspanenden Verfahren hergestellt werden, können damit auch Einsteiger oft erheblich schneller selbst drucken als diese über das Internet von einem Drittanbieter zu beschaffen wären. Dazu braucht es lediglich etwas Konstruktions- und Druckerfahrung.

Die Investition in teurere Anlagen lohnt sich meist erst bei höheren Stückzahlen und Bauteilen mit komplexen Geometrien. Für diese Entscheidung bedarf es einer individuellen Wirtschaftlichkeitsbetrachtung, die alle Kostenfaktoren berücksichtigt.

Grundsätzlich gilt:

Je geringer die Stückzahl bzw. je individueller die Bauteile sind, umso eher lohnt sich die Investition in die Additive Fertigung.

Weiterhin lohnt es sich zu prüfen, ob in der Produktion mehrere Bauteile als Baugruppe durch ein additiv gefertigtes Bauteil zu ersetzen sind. Denn es gilt weiterhin: Je komplexer ein Bauteil, desto eher lohnt sich die Additive Fertigung. So lässt sich ein Komplex einfacher Bauteile, also eine Baugruppe, durch ein einziges additiv gefertigtes Bauteil ersetzen.



13. Wie muss ich meine Mitarbeiter für den 3D-Druck qualifizieren?

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Ausbildung zur Fachkraft für additive Fertigung (Foto: LZH Laser Akademie GmbH)

Fachkräfte für die Additive Fertigung müssen in der Lage sein, die Anlage zu bedienen, Fehler zu erkennen und diese zu beheben. Je nach Druckverfahren braucht ein Betrieb spezielle Beauftragte. Kommt ein laserbasiertes 3D-Druckverfahren zum Einsatz, ist ein Laserschutzbeauftragter zwingend erforderlich.

Kunden oder spezifische Normen können den Nachweis für qualifiziertes Personal erfordern, zum Beispiel im Luft- und Raumfahrzeugbau die DIN 35225:2017-06 zur Prüfung von Bedienern für pulverbettbasierte Laserstrahlanlagen zur Additiven Fertigung. Neue Berufsbilder für die Additive Fertigung sind derzeit nicht vorgesehen. Deshalb bleibt Unternehmen nur die Möglichkeit, Auszubildende oder Mitarbeiter bedarfsgerecht für den 3D-Druck zu qualifizieren.

Welche Möglichkeiten haben Unternehmen, ihr Personal nachweisbar zu qualifizieren?

Additive Fertigung in der beruflichen Erstausbildung

Unternehmen können Auszubildenden geeignete Zusatzqualifikationen anbieten, die über einen Zeitraum von mind. 8 Wochen die erforderlichen Fertigkeiten, Kenntnisse und Fähigkeiten vermitteln. Auf Antrag des Auszubildenden und mit Zustimmung des Betriebes prüft und bescheinigt die IHK diese Zusatzqualifikationen. Die Zusatzqualifikation „Additive Fertigungsverfahren“ wurde für die industriellen Metallberufe und den Mechatroniker in die Ausbildungsordnungen aufgenommen.

Weiterbildungsangebote für die Additive Fertigung

Der Nachweis für qualifiziertes Personal gelingt am einfachsten über eine externe Qualifizierung, Prüfung und Zertifizierung. Die ersten verfügbaren Ausbildungsrichtlinien für die Additive Fertigung waren (und sind?)

  • die DVS-Richtlinie 3602-1
    (Fachkraft für Additive Fertigungsverfahren – Fachrichtung Metall)

  • und die DVS-Richtlinie 3602-2
    (Fachkraft für Additive Fertigungsverfahren – Fachrichtung Kunststoffe).

Die Zielgruppen sind qualifizierte Facharbeiter, Meister und Techniker, die für die Bedienung von Anlagen zum selektiven Laserstrahlschmelzen verantwortlich sind oder sein werden. Die Zertifizierung erfolgt durch DVS PersZert.

Zurzeit bieten vier DVS-Bildungseinrichtungen diese Lehrgänge an. Diese sind auch dazu geeignet, Mitarbeiter auf eine Bedienerprüfung vorzubereiten. Die Teilnehmer erhalten umfassende Kenntnisse über die Verfahrensprinzipien und Prozessparameter sowie zu den einzelnen Fertigungsschritten entlang der Prozesskette. Erfolgreiche Teilnehmer erhalten das Zeugnis „Fachkraft für Additive Fertigungsverfahren“.

Entwickeln und Konstruieren für den 3D-Druck

Für den erfolgreichen Einsatz Additiver Fertigung im Produktionsprozess benötigen auch Konstrukteure und Entwickler grundlegende Kenntnisse der Herstellungsprozesse. Nur so können sie für jede Anwendung das geeignete Verfahren oder eine Kombination geeigneter Verfahren auswählen. Diese Kompetenz geht über die reine Anlagenbedienung weit hinaus und kann zum Beispiel in berufsbegleitenden, längerfristigen Weiterbildungen erworben werden. Etwa durch den Studiengang Anwendungstechniker (FH) für



14. Kann ich alle Materialien mit EINEM Drucker verdrucken?

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Qualitativer Vergleich der 3D-Druckverfahren. Zum Vergrößern bitte auf die Graphik klicken. (Graphik: IPH/LZH)

Nein, das ist nicht möglich, da sich nicht alle Materialien auf dieselbe Weise bzw. mit demselben Verfahren drucken lassen. Druckbare Materialien werden zunächst wie folgt unterteilt:

  • Metalle
  • Kunststoffe
  • Keramik
  • Gummi/Kautschuk

Diese Materialgruppen werden noch weiter unterteilt: Metalle unterscheidet man vornehmlich nach der Anwendung:

  • Komplette Bauteile aus Metall stellt man bevorzugt mittels Pulverbettverfahren her.
  • Sind Metallbauteile zu reparieren, zu beschichten oder zusätzliche Aufbauten gewünscht, kommt das Auftragschweißen zum Einsatz.

Kunststoffe unterscheidet man nach ihrer Verarbeitbarkeit:

  • Photopolymere zum Beispiel sind lichtsensitive Kunststoffe, die sich verflüssigen und bei Bestrahlung mit Licht aushärten.
  • Thermoplaste etwa verflüssigen sich bei Erwärmung und härten durch Abkühlung aus.

Viele Unternehmen möchten Additive Fertigungsverfahren zukünftig einsetzen, kennen die Vorteile und haben bereits Prototypen und Funktionsbauteile identifiziert, die sich für den 3D-Druck eignen. Der Weg von der Idee bis zur Umsetzung von 3D-Druckprozessen im eigenen Betrieb ist jedoch nicht allen klar. Eine elementare Fragestellung ist dabei, welches Additive Fertigungsverfahren für die jeweilige Anwendung am besten geeignet ist.

Die Abbildung zeigt einen qualitativen Vergleich der wichtigsten additiven Fertigungsverfahren und kann als Entscheidungshilfe dienen (siehe auch Kapitel 22).

Die Beurteilung der Verfahren wird für die einzelnen Bewertungskriterien im Folgenden näher erläutert.

Metall- bzw. Polymerverarbeitung

Eine grobe Einteilung additiver Fertigungsverfahren erfolgt in metall- bzw. polymerverarbeitende Verfahren. Die Verfahren LPBF und LMD erzeugen Bauteile durch Aufschmelzen von Metallen und stellen somit rein metallverarbeitende Verfahren dar. Die Verfahren SLA, µ-SLA, DLP, Polyjet, SLS und Jet Fusion verarbeiten ausschließlich Polymere. Das FDM-Verfahren basiert auf der Aufschmelzung von Polymerdraht, dieser kann jedoch mit anderen Werkstoffen, wie beispielsweise Metallpulver, angereichert werden. Durch anschließendes Sintern können so indirekt Metallteile gefertigt werden. Dasselbe gilt für das Binder Jetting, bei dem eine Vielzahl verschiedener Materialen mit einem Kleber verbunden werden. Durch anschließendes Sintern können stabile Metall- oder Polymerbauteile hergestellt werden.

Verfügbare Materialien

Die Anzahl der prozesssicher zu verarbeitenden Materialien ist ein wesentliches Entscheidungskriterium bei der Auswahl eines additiven Fertigungsverfahrens. Für das FDM-Verfahren werden viele verschiedene Polymerdrähte angeboten. Hinzu kommen hybride Materialien mit beispielsweise Metallen oder Kohlefasern. Beim Binder Jetting werden die Werkstoffe verklebt. Hierfür können viele verschiedene Materialien unter der Voraussetzung, dass der Kleber ausreichend an ihnen haftet, verwendet werden. Die Verfahren SLA, µ-SLA, DLP und Polyjet beschränken sich auf Photopolymere. Für die Verfahren Jet Fusion und SLS stehen nur wenige Polymerpulver zur Verfügung. LPBF und LMD beschränken sich auf wenige Metallwerkstoffe.

Genauigkeit von Details und Multimaterialdruck

Ein wichtiges Merkmal von additiven Fertigungsanlagen ist die Genauigkeit, mit der Details abgebildet werden können. Eine besonders hohe Genauigkeit kann mit den Verfahren (µ-)SLA, Polyjet und Aerosol Jet erreicht werden. Die Genauigkeiten des FDM und des LMD-Verfahrens sind dagegen verhältnismäßig gering.

Für den Multimaterialdruck eignet sich das Polyjet-Verfahren besonders gut. Beim FDM-Verfahren kann beispielsweise durch die Verwendung mehrerer Extruder ein Multimaterialdruck umgesetzt werden.



15. Welche Verfahren gibt es für den 3D-Druck von Kunststoff?

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Prinzip der Stereolithographie (links mit UV-Bestrahlung von unten, rechts mit UV-Bestrahlung von oben). (Quelle: LZH)

15.1 Stereolithographie (SLA, µ-SLA, DLP)

Die Stereolithographie, Mikrostereolithographie (µ-SLA), 2-Photonen-Polymerisation (2PP) und das Digital Light Processing (DLP) sind lithographische Verfahren. Mit diesen werden Bauteile aus flüssigem Kunststoff hergestellt, indem dieser mit ultraviolettem Licht oder ¬im — Fall der 2PP — ultrakurzen Laserpulsen bestrahlt wird. Hierfür eignen sich deshalb ausschließlich flüssige Materialien, die auf Lichteinstrahlung reagieren, indem sich niedermolekulare Moleküle (Monomere) zu Makromolekülen vernetzen und so ein Polymer bilden. Durch die Vernetzung härtet das Material im bestrahlten Bereich aus.

Diese Verfahren unterscheiden sich hauptsächlich durch die Auflösung der Bauteile und die daraus resultierende Geschwindigkeit, mit der die Bauteile gefertigt werden. Grundsätzlich gilt:

Je höher die Auflösung, desto länger dauert der Druckprozess.

Beim 2PP-Verfahren lässt sich die Struktur des Bauteils direkt in das flüssige Kunststoffbad „schreiben“. [5]Eine Besonderheit bei der 2PP ist, dass das Bauteil nicht Schicht für Schicht erstellt wird, sondern direkt dreidimensional im Polymerbad entsteht.

Bei der (µ)-Stereolithographie wird das Bauteil an eine Plattform angebunden und das Polymer an der Grenzfläche zum anliegenden Medium schichtweise polymerisiert. Das Bild zeigt links ein Verfahren, bei dem die Aushärtung durch einen transparenten Boden erfolgt.

Vorteile:

  • Die Bauteilgröße wird nicht durch die Tiefe des Polymerbads limitiert,
  • es wird kein zusätzlicher Wischer benötigt
  • und die Schichtdicke ist durch die Distanz zwischen Bauteil und Boden klar definiert.

Nachteil:

  • Beim Ablösen des Bauteils von der transparenten Platte treten Abzugkräfte auf, die zur Beschädigung filigraner Strukturen führen können.

Im Bild ist das ursprüngliche Verfahren dargestellt, bei dem das Bauteil in das Polymerbad abgesenkt wird. Hierfür ist ein hinreichend tiefes Polymerbad und damit entsprechend viel flüssiges Polymer erforderlich.



15.2 Digital Light Processing

3D-Direktdruck
3D-Direktdruck unter Verwendung von Polymerdraht

Das Digital Light Processing ist ein spezielles Stereolithographie-Verfahren. Auch hierbei entsteht das Bauteil aus flüssigem Kunststoff, der mit UV-Licht bestrahlt und ausgehärtet wird. Der Unterschied zu den übrigen stereolithografischen Verfahren ist, dass die zu belichtende Struktur nicht selektiv und punktuell bestrahlt wird, sondern direkt flächig.

Hierbei kommt als Lichtquelle z.B. ein UV-LED-Array zum Einsatz. Zahlreiche steuerbare Mikrospiegel reflektieren das Licht entweder auf das flüssige Polymer oder in einen Lichtabsorber und erzeugen so die zu belichtende Struktur. Das DLP-Verfahren ähnelt damit einem Maskenverfahren mit flexiblen Masken.

Vorteile gegenüber der konventionellen Stereolithographie:

  • Die definierte flächige Belichtung bringt eine erhebliche Zeitersparnis mit sich.
  • Die Herstellung im flüssigen Polymer ermöglicht durch die Polymerisation dünner Schichten eine hohe vertikale Auflösung von 0,012 mm Schichtdicke.

Die horizontale Auflösung wird durch den Projektor limitiert. Mit hochauflösenden Projektoren sind auch horizontal vergleichbare Auflösungen möglich. Dennoch bleibt die charakteristische Clusterstruktur erkennbar.



15.3 Fused Deposition Modeling (FDM) - Filamentdruck

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3D-Direktdruck mit Polymerdraht. (Graphik: LZH)

Bei diesem Verfahren ist das Ausgangsmaterial ein Kunststoffdraht (Filament), der in einer Extruderdüse aufgeschmolzen wird. Aus dem flüssigen Material entsteht das gewünschte Bauteil Schicht für Schicht im Direktdruck.

Vorteile dieses Verfahrens:

  • Hohe Reproduzierbarkeit
  • Gute Prozessstabilität
  • Verwendbarkeit von technischen Kunststoffen wie ABS, PC und dem Hochleistungskunststoff ULTEM

In beheizbaren Düsen werden amorphe Thermoplaste aufgeschmolzen und die Polymerschmelze direkt in der Bauteilgeometrie schichtweise abgelegt.

Nachteil:

  • Je nach Bauteilgeometrie benötigt man während des Druckprozesses Stützstrukturen zur Stabilisierung, etwa um überhängende Strukturen zu erzeugen. Diese Stützstrukturen müssen in einem späteren Arbeitsschritt entfernt werden.

Im Bild ist das FDM-Verfahren schematisch dargestellt:

Die Polymere, die als Bau- und Stützmaterial verwendet werden, werden von einer Rolle zugeführt, im Schmelzkopf aufgeschmolzen und über die Extrusionsdüse dem Prozess zugeführt.

Nach jeder Schicht wird die Bauplattform abgesenkt. Die Struktur des Bauteils entsteht in der Ebene durch die Steuerung der Düse.



15.4 Polyjet / Multijet

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Polyjet / Multijet Printing (Graphik: LZH)

Das Polyjet- oder Multijet-Verfahren ähnelt technisch dem der Tintenstrahldrucker für den konventionellen 2D-Papierdruck. Wie beim Tintenstrahldrucker kommt ein Druckkopf zum Einsatz, der mit einer begrenzten Anzahl ansteuerbarer Düsen feinste Flüssigkeitstropfen dosiert und punktgenau auf einer Oberfläche aufträgt.

Bei den Flüssigkeiten handelt es sich um Photopolymere, die mittels UV-Licht ausgehärtet (vernetzt) werden.

Vorteile:

  • Wie beim Tintenstrahldruck können verschiedenfarbige Photopolymere verwendet und im Druck gemischt werden.
  • Auch lassen sich Photopolymere mit unterschiedlichen Eigenschaften, wie etwa unterschiedlicher Härte oder leicht lösliches Stützmaterial, verdrucken.

Die 3D-Bauteile entstehen durch schichtweise wiederholtes Bedrucken der gleichen Stelle in der jeweils nächsthöheren Schichtebene. Die Auflösung liegt bei den meisten Druckverfahren bei 600 dpi in der Fläche und bis zu 1814 dpi in der Schichtdicke.



15.5 Pulverbettverfahren: Selektives Laser Sintern (SLS) und Binder Jetting

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Selektives Lasersintern (SLS) als Beispiel für ein Pulverbettverfahren. (Graphik: LZH)

Dieses Verfahren ähnelt der Stereolithographie. Das Bauteil entsteht hierbei jedoch nicht durch den schichtweisen Aufbau an der Oberfläche eines Poly-merbads, sondern an der Oberfläche eines Pulverbetts.

Vorteil:

• In beiden Fällen sind wenige oder keine Stützstrukturen erforderlich, da das umgebende Material eine entsprechende Stützwirkung bietet.

Selektives Laser Sintern (SLS)

Beim Polymerbadverfahren löst UV-Strahlung die Vernetzung des flüssigen Polymers aus. Beim Pulverbettverfahren hingegen wird pulverförmiges Material thermisch versintert. Aufgeschmolzen wird das Pulver durch einen Laserstrahl.

Binder Jetting

Hierbei wird das Pulver schichtweise durch ein Bindemittel verbunden und nicht aufgeschmolzen. Anstelle des Laserstrahls wird die Pulverschicht mit dem Binder, ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker, bedruckt.

Vorteil:

  • Mit farbigen Bindern lässt sich sogar mehrfarbig in 3D drucken. [1, 9]

Möglichkeiten zur Nachbearbeitung

Die verklebten und versinterten Druckteile weisen häufig noch unerwünschte Hohlräume auf. Abhilfe schaffen diese Nachbearbeitungsverfahren:

Verschmelzen in einem Ofenprozess

Nachteil: Die Verfestigung verursacht einen Materialschrumpf. Dieser muss bereits bei der Auslegung des Bauteils konstruktiv berücksichtigt werden.

Infiltrieren der Hohlräume

Mit Wachs, Epoxid-Harzen, Acryl, Polyurethanen oder anderen Materialien lassen sich die finalen Bauteile infiltrieren und so die Materialeigenschaften anpassen und die Oberflächen verbessern.



16. Welche Verfahren gibt es für den 3D-Druck von Metall?

Laser Powder Fusion
Graphik: Laser Powder Bed Fusion (LPBF). (Quelle: LZH)

16.1 Laser Powder Bed Fusion (LPBF, SLM®)

Die Laser Powder Bed Fusion (LPBF), auch bekannt als Selektives Laserschmelzen (SLM®), gehört zu den Techniken des Rapid Prototyping and Manufacturing (RPM) bzw. Additive Manufacturing (AM) zur Herstellung von Bauteilen aus Metallen.

Aufgrund der selbst im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren guten mechanischen Eigenschaften der Bauteile, erfährt die LPBF von Metallpulvern eine rasche Entwicklung. Da sowohl die Maschinen als auch die Prozesse immer besser werden, kann das LPBF konventionelle Fertigungsverfahren immer öfter ergänzen oder sogar ersetzen.

Haupteinsatzbereich der LPBF ist die Herstellung von Bauteilen für

  • die Medizin- und Zahntechnik
  • sowie erste Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt.

Mit dem LPBF-Verfahren lassen sich Bauteile mit komplexen Geometrien, wie z.B. Hohlräume und Hinterschneidungen, ganz ohne Werkzeuge herstellen. Hierbei wird das Bauteil auf einer Platte Schicht für Schicht aus Pulver aufgebaut, indem dieses lokal aufgeschmolzen wird. Ein Hochleistungslaser-strahl fährt dabei die zur aktuellen Schicht gehörenden Konturen und Flächen des Bauteils ab. An den bestrahlten Stellen schmilzt das Pulver. Anschließend wird die Bauplatte abgesenkt und eine neue Pulverschicht aufgebracht. Diese Schritte werden so oft wiederholt, bis das Bauteil fertiggestellt ist.

Nachteil:

  • Durch die schnelle Abkühlung des Bauteils entstehen relativ hohe Eigenspannungen.

Gegenmaßnahmen zur Reduzierung der Eigenspannungen:

  • mehrmalige Belichtung des aufgeschmolzenen Pulvers,
  • eine höhere Plattformtemperatur
  • sowie eine nachfolgende Wärmebehandlung.



16.2 Laser Metal Deposition, LMD (Laserauftragschweißen)

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Schematische Darstellung des LMD-Prozesses mit a) koaxialer und b) lateraler Pulverzufuhr. (Graphik: LZH)

Das Laserauftragschweißen ist unter verschiedenen Benennungen bekannt:

  • LMD (Laser Metal Deposition)
  • DMD (Direct Metal Deposition)
  • Laser Cladding
  • Laser Deposition Welding
  • LENS (Laser Engineering Net Shaping)

Diese Benennungen bezeichnen jedoch alle denselben Prozess: Dabei wird ein Laserstrahl mit Hilfe eines Bearbeitungskopfes auf ein Werkstück fokussiert und erzeugt dort ein Schmelzbad. Gleichzeitig wird Metallpulver in das Schmelzbad injiziert. Dies erfolgt, wie im Bild dargestellt, über eine koaxiale oder laterale Düse. Auf diese Weise werden einzelne Schweißspuren nebeneinander aufgebracht, so dass eine neue Metallschicht entsteht. So lassen sich auch mehrere Schichten übereinander auftragen und endkonturnahe Bauteilgeometrien generieren. Diese Schichten sind je nach Prozessparameter 0,1 mm bis mehrere Millimeter dick.

Einsatzbereiche des Laserauftragschweißens:

  • Verschleiß- und Korrosionsschutz
  • Additive Fertigung kompletter Bauteile

Die üblicherweise eingesetzten Laserspotdurchmesser sind mit 0,5 bis 3 mm größer als beim Pulverbettverfahren, wodurch auch nur geringere Auflösungen erzielt werden. Jedoch ist die Aufbaugeschwindigkeit deutlich höher und die Bauteilgröße wird lediglich durch die Reichweite des Achssystems und nicht durch einen Bauraum beschränkt.

Alternativ zum Metallpulver lässt sich beim Laserauftragschweißen drahtförmiger Zusatzwerkstoff einsetzen. Dadurch steigt die Aufbaugeschwindigkeit, die Bauteilauflösung sinkt jedoch. Geeignete Materialien sind:

  • Titan- und Nickel-basierte Legierungen,
  • Werkzeug- und Edelstähle
  • sowie weitere schweißbare Legierungen.



17. Kann man Keramik drucken?

Ja, es gibt inzwischen die Möglichkeit Keramik zu drucken. Derzeit erfolgt der Druck von Keramik in einem mehrstufigen Prozess:

1) Die Bauteile werden zunächst im FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling) gedruckt. Hierzu wird ein Filament verwendet, das aus einem schmelzbaren Trägermaterial mit darin eingebundenen Keramikpartikel besteht.

2) Das Trägermaterial mit den Keramikpartikeln wird aufgeschmolzen und verdruckt.

3) Anschließend wird das Bauteil in einem Waschprozess vom Binder befreit.

4) Der daraus resultierende Grünling ist sehr fragil und wird in einem anschließenden Ofenprozess zu einem Keramikbauteil versintert. Das Bauteil erfährt dabei einen Schrumpf von ca. 20 %.

5) Eine andere Möglichkeit ist, den Grünling mittels Binder Jetting herzustellen. Die Punkte 3) und 4) erfolgen dann nahezu identisch.



18. Wird 3D-Druck andere Fertigungsprozesse komplett ersetzen?

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Nein, das erscheint im Augenblick sehr unwahrscheinlich. Additive Fertigungsverfahren bieten viele Vorteile. Jedoch wird es auch zukünftig Bauteile geben, für die sich konventionelle Fertigungsverfahren besser eignen.

Dennoch ist zu erwarten, dass in absehbarer Zeit in jeder Werkstatt mindestens ein 3D-Drucker zur Standardausstattung gehören wird.



19. Ist der 3D-Druck schon serientauglich?

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Serientauglichkeit der Additiven Fertigung unter den Gesichtspunkten Machbarkeit, Stückzahl und Flexibilität. (Quelle: LZH Laser Akademie GmbH)

Es kommt darauf an, wie ein Unternehmen oder auch eine Branche den Begriff „Serie“ definiert. Die Automobilbranche etwa verwendet oft die Stückzahl 250, damit die Fahrzeuge eine Straßenzulassung erhalten. Auch bei sehr hohen Stückzahlen ist zu bedenken, welche Anzahl in welcher Zeit geliefert werden muss. Der vergleichsweise lange Bauprozess kann durch mehrere Maschinen oder Mehrfachbestückung des Bauraums kompensiert werden.

Wie in der Graphik dargestellt, sind bei der Frage nach der Serientauglichkeit zunächst drei Kriterien zu betrachten:

  • Machbarkeit: Ist das Bauteil überhaupt herstellbar?
    Die Stärke der Additiven Fertigung ist die nahezu unbegrenzte Formfreiheit, die selbst extrem komplexe Bauteile realisierbar macht, für die konventionelle Herstellungsverfahren keine Option bieten.

  • Stückzahl:
    Falls Bauteile auch konventionell zu fertigen sind, ist die Stückzahl ein weiteres Kriterium und eine Entscheidung kann nur auf Basis der (firmenspezifischen) Stückkostenanalyse getroffen werden.

  • Flexibilität:
    Letztlich spricht die hohe Flexibilität für die Additive Fertigung, weil Veränderungen der Bauteilgeometrie (Kundenwünsche) sehr zeitnah umgesetzt werden können.



20. Gibt es Besonderheiten bei der Konstruktion zu beachten?

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Tabelle: Gestaltungsziele in der Additive Fertigung.

Ja, deshalb sollte sich der Konstrukteur im ersten Schritt mit den Potenzialen der Additiven Fertigung vertraut machen und nicht einfach konventionelle Bauteile nachdrucken. Diese Potenziale lassen sich im Wesentlichen in Form von zehn Gestaltungszielen zusammenfassen (siehe Tabelle auf der nachfolgenden Seite).

Des Weiteren muss der Konstrukteur folgende Aspekte berücksichtigen:

  • Das inhomogene und anisotrope Materialverhalten, aus dem richtungsabhängige mechanische Eigenschaften resultieren.

  • Je nach Additivem Fertigungsverfahren können z.B., wie auch beim Gießen, Schwindungen und Verzüge auftreten.

  • 3D-gedruckte Bauteile erfordern nicht selten eine Nachbearbeitung in einem oder mehreren Schritten. Diese Prozesse muss der Konstrukteur frühzeitig in die Konstruktion einbeziehen. Muss das Bauteil etwa mittels Drehen oder Fräsen nachbearbeitet werden, muss der Konstrukteur, wenn das Bauteil überwiegend aus Freiformflächen besteht, Einspannflächen vorsehen.

Die Gestaltungsfreiheit ist bei der Additiven Fertigung im Vergleich zur konventionellen Fertigung deutlich größer. Dennoch sind auch hier Fertigungsrestriktionen einzuhalten, die beispielsweise in Form von Gestaltungsrichtlinien aufbereitet werden (siehe Bild).



21. Was ist erforderlich, um additive Fertigungsverfahren in industrielle Wertschöpfungsketten zu integrieren?

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Additive Prozesskette von der Datenvorbereitung bis zum fertigen Produkt (Quelle: Eigene Darstellung nach Breuninger 2013 und Gibson 2010)

Die Individualisierung ist ein Megatrend des 21. Jahrhunderts, der sich z. B. in Premiumprodukten oder hochspezialisierten Investitionsgütern widerspiegelt. Im Gegensatz dazu steigt jedoch nicht zwangsläufig die Bereitschaft von Kunden, für personalisierte Produkte deutlich mehr zu bezahlen.

Um auch zukünftig wettbewerbsfähig agieren zu können, müssen Unternehmen daher individualisierte Produkte zu einem Preis herstellen können, der bisher nur durch Massenfertigung erreicht werden konnte.

Additive Fertigungsverfahren sind ein Baustein zur Lösung dieses Konflikts, da diese Verfahren eine wirtschaftliche Produktion kleinster Losgrößen ermöglichen. Die Herausforderung besteht darin, den 3D-Druck erfolgreich in die industrielle Wertschöpfungskette eines Unternehmens zu integrieren.

Betriebliche Voraussetzungen

Die Additive Fertigung eignet sich primär zur Herstellung von individualisierten Produkten in Kleinserien, bis hin zur Losgröße 1. Damit die Integration in die betrieblichen Produktionsabläufe gelingt, bedarf es einer Reihe von Voraussetzungen:

  • Automatisierte Handhabungseinrichtungen und Mechanismen zum Informationstransport sind so auszulegen, dass sie variable Objekte verarbeiten können.
  • Die Prozessparameter, Druckmaterialien und Bearbeitungsschritte sind sorgfältig und nachvollziehbar zu dokumentieren, da diese bei variantenreichen Prozessen stark variieren.
  • Die zahlreichen Einzelschritte eines Additiven Fertigungsprozesses müssen sich wirtschaftlich in die Wertschöpfungskette integrieren lassen.

Im Bild sind die übergeordneten Schritte von der Computerbezogenen Modellerstellung, über die Vorverarbeitung und Fertigung bis hin zur Nachbereitung dargestellt. Diese Schritte werden in den nachfolgenden Abschnitten näher beschrieben.

Computerbezogene Modellerstellung und Vorverarbeitung

1 - Am Computer entsteht das 3D-CAD Modell

Im ersten Schritt entsteht das Bauteil als 3D-Modell im Computer mithilfe einer CAD-Software oder durch Einscannen von Bauteilen, die als Vorlage dienen.

Richtlinien für die Konstruktion und Gestaltung von 3D-Bauteilen sind zurzeit Thema diverser Forschungsprojekte. Aktuell erzeugen Konstrukteure prozessgerechte 3D-Daten noch weitgehend auf Basis ihrer Erfahrung.

2 - Eine druckbare Datei wird erstellt

Die Datei mit dem fertigen 3D-Modell des Bauteils exportiert der Konstrukteur in eine druckbare Datei, zum Beispiel im STL-Format (Standard Triangulation/Tesselation Language). Dieses Dateiformat ist in der Additiven Fertigung weit verbreitet und dient als Eingabeformat für spezielle, vom 3D-Drucker abhängige Softwaresysteme.

Vorverarbeitung

3 - Die Daten werden auf den 3D-Drucker übertragen

Die Softwaresysteme von 3D-Druckern unterstützen das STL-Dateiformat und bereiten die Daten für den Druckprozess vor. Fertigungsparameter wie z. B. die Bauposition und die Bauteilorientierung werden dabei eingestellt. Diese Parameter beeinflussen maßgeblich die Qualität der Bauteile sowie die Fertigungsgeschwindigkeit.

Viele Hersteller von 3D-Druckern geben für bestimmte Materialien bereits Parametersätze vor. Trotzdem bedarf es eines erfahrenen Anlagenbedieners, um die Parameter optimal auf das zu fertigende Bauteil abzustimmen.

4 - Der 3D-Drucker wird gerüstet

Bevor der Druckprozess beginnen kann, muss der 3D-Drucker gerüstet werden. Dazu muss der Bediener die Anlage kalibrieren und säubern sowie das Druckmaterial einlegen.

Fertigung

5 - Die Fertigung des Bauteils beginnt

Nun beginnt die eigentliche Herstellung des Bauteils. Für die Bewertung des Fertigungsprozesses sind folgende Faktoren relevant:

· Qualität der Bauteile

Um beim 3D-Druck das gewünschte Qualitätsniveau zu erreichen, bedarf es bei allen Fertigungsschritten größter Sorgfalt. Angefangen beim Erstellen des 3D-Modells am Computer, über die Auswahl der Parameter, das Rüsten der Anlage bis hin zum Druckprozess und der anschließenden Nachbearbeitung.

· Prozesssicherheit

Noch sind die 3D-Druckanlagen wenig prozesssicher. Deshalb lassen sich Druckprozesse nicht immer wie gewünscht reproduzieren. Jedoch bieten einige Hersteller von pulverbasierten 3D-Druckanlagen, z. B. zum Laserstrahlschmelzen und Lasersintern, Lösungen für die schichtweise Prozessüberprüfung während der Fertigung des Bauteils an.

· Produktivität der Anlagen

3D-Druckanlagen arbeiten verhältnismäßig langsam. Allerdings lässt sich ihre Produktivität relativ einfach steigern, indem man mehrere kleine Anlagen in sogenannten Druckerfarmen gleichzeitig betreibt (siehe auch Kapitel „Wirtschaftlichkeit Additiver Fertigungsanlagen).

Nachbereitung

Wurde das Bauteil aus dem 3D-Drucker entnommen, ist zumeist eine Nachbearbeitung erforderlich, um Stützstrukturen und überflüssiges Material wie beispielsweise Pulverreste zu entfernen. Bei einigen Verfahren findet eine spezielle Nachbehandlung statt, etwa um bestimmte mechanische Eigenschaften zu erzielen.

Häufig folgen weitere Maßnahmen, um die Eigenschaften der Bauteile zu verändern:

  • Mithilfe von Schleifverfahren oder Lackierungen lässt sich die Oberflächengüte und Geometrie von additiv gefertigten Kunststoffprodukten verbessern.
  • Infiltriert man die Bauteile mit Chemikalien lassen sich zudem die physikalischen Eigenschaften verändern.
  • Bei Metallbauteilen kommen häufig spanende Verfahren zum Einsatz, um die Oberflächengüte und die geometrischen Eigenschaften zu verbessern.
  • Mit Wärmebehandlungen lassen sich die mechanischen Eigenschaften der Bauteile anpassen.

Das additiv gefertigte Bauteil wird entweder direkt verwendet oder in anschließenden Montageschritten mit zusätzlichen Einzelbauteilen zu einem kommerziell nutzbaren Produkt vervollständigt.



22. Gibt es einen einfachen Überblick mit einem direkten Vergleich der verschiedenen Druckverfahren?

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Mittlerweile existiert eine beeindruckende Bandbreite an etablierten 3D-Druckverfahren. Die Tabelle bietet einen Überblick über die Verfahren und deren Eignung gemäß verschiedenen Bewertungskriterien.


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